Випробування на кавітаційну ерозію

Кавітаційна ерозія виникає на поверхнях матеріалів, які піддаються інтенсивній ультразвуковій кавітації. Випробування на кавітаційну ерозію є швидким методом вимірювання стійкості матеріалів або покриттів до ерозії під дією інтенсивних навантажень та інших ерозійних факторів. Він забезпечує просте кількісне вимірювання для контролю якості та є корисним під час дослідження матеріалів або розробки складів покриттів.

Чому використовувати випробування на кавітаційну ерозію?

Постійна ерозія або корозія можуть вимагати регулярної заміни деталей або оновлення поверхневих покриттів. Ерозія поверхні матеріалу внаслідок механічних або хімічних впливів є повільним процесом, що призводить до поступового руйнування поверхонь матеріалу. Тому оцінка стійкості матеріалу до ерозії або ерозійного ефекту рідин та суспензій може бути дуже тривалим процесом.
Ультразвукові випробування на кавітаційну ерозію піддають поверхню матеріалу контрольованим, інтенсивним, повторюваним циклам навантаження. Це призводить до значної ерозії поверхні матеріалу за короткий час. Ви можете швидко виміряти стійкість до ерозії для регулярного контролю якості у виробництві, для оцінки вхідних матеріалів або під час досліджень і розробок.
Стандартні застосування включають металургійні випробування, тестування складів покриттів, тестування нанесення покриттів або оцінку інгібіторів ерозії в рідинах.

Чому кавітація спричиняє ерозію поверхні?

Ультразвукові пристрої, такі як UP400St (400 ват, 24kHz) або UIP1000hdT (1000 ват, 20kHz), передають ультразвукові коливання в рідини, такі як вода. Швидкий зворотний рух коливань у рідині створює та руйнує кавітаційні бульбашки. При колапсі бульбашок у рідині та на відкритих поверхнях матеріалу виникає високе локалізоване механічне напруження. Рідкісні струмені зі швидкістю до 1000km/h та локальний тиск до 1000atm призводять до швидкої втоми поверхні матеріалу. Це може видалити оксидні або пасивуючі шари, покриття або забруднення. Це може спричинити утворення вибоїн у твердих матеріалах, таких як сталь, титан, алюміній, пластик або скло. Отже, випробування на кавітаційну ерозію є методом руйнівного контролю.

Як працюють випробування на кавітаційну ерозію?

Кавітаційна ерозія поверхонь матеріалу спричиняє поступову втрату матеріалу. Ви можете легко виміряти втрату матеріалу, зважуючи матеріал на прецизійних терезах до та після визначеного впливу кавітаційної ерозії. Типова зміна ваги для випробування на кавітаційну ерозію становить від 1 до 30mg. Для подальшої стандартизації ви можете розрахувати втрату об’єму, поділивши втрату ваги на густину матеріалу. Середню глибину проникнення (MDP) розраховують, поділивши втрату об’єму на площу поверхні зразка. Альтернативно, ви можете виміряти глибину вибоїн або витіснений об’єм. Ви можете використовувати мікроскопічний аналіз для отримання додаткової якісної інформації про характер ерозії.
Коли ви використовуєте ультразвуковий пристрій Hielscher для випробувань на кавітаційну ерозію, ви можете попередньо встановити діапазон температури та діапазон тиску, в яких ви хочете працювати. Ви можете налаштувати амплітуду ультразвукової обробки. Усі параметри контролюються, відображаються та протоколюються на SD-картку. Вам не потрібно встановлювати пропрієтарне програмне забезпечення. Якщо бажаєте, ви можете керувати ультразвуковим процесом та моніторити його з вашого звичайного веб-браузера, якщо підключите ультразвуковий пристрій до комп’ютера через кабель Ethernet (входить у комплект).

Що таке стандартний метод ASTM G32 для випробувань на кавітаційну ерозію з використанням вібраційного апарату?

Стандарт ASTM G32-16 описує стандартизований метод випробування на кавітаційну ерозію. Він визначає простий, контрольований і відтворюваний тест для кількісної оцінки та порівняння стійкості різних матеріалів до кавітаційної ерозії. Специфікації ATSM G32-16 корисні для порівняння ваших результатів з результатами інших публікацій. Якщо ви хочете впровадити випробування на кавітаційну ерозію в контроль якості, ми рекомендуємо адаптувати протокол випробування на кавітаційну ерозію до ваших конкретних вимог. Ми будемо раді допомогти вам із розробкою індивідуального протоколу випробування на кавітаційну ерозію. Для отримання додаткової інформації про випробування на кавітаційну ерозію відповідно до ASTM-G32, будь ласка, натисніть тут!

Чому слід використовувати обмеження за енергією замість обмеження за часом?

Багато публікацій і протоколів випробувань на ерозію вказують час експозиції кавітації. У ультразвукових приладах Hielscher можна попередньо встановити час ультразвукової обробки, і система зупиниться після закінчення цього часу. Потім можна розрахувати отриману швидкість кавітаційної ерозії в mm/hr або mm3/hr. Обмеження за часом є прийнятним, лише якщо ви не змінюєте жодних параметрів, таких як рівень рідини, амплітуда, тиск, температура, склад рідини або зазор між сонотродом і поверхнею матеріалу. Якщо будь-який із цих параметрів зміниться, зміниться також потужність ультразвукової обробки та інтенсивність кавітації. Важливо, щоб фактична чиста потужність, що передається рідині, не коливалася під час тривалості випробування.
У ультразвукових приладах Hielscher можна встановити обмеження за енергією. У цьому випадку ультразвуковий прилад зупиниться після того, як він передасть зазначену ультразвукову енергію. Прилад Hielscher відображатиме та записуватиме параметри, такі як фактична чиста потужність, амплітуда, тиск і температура рідини. Коливання потужності або навмисні зміни параметрів компенсуються при використанні обмеження за енергією. Потім можна вказати отриману швидкість кавітаційної ерозії в mm/kWhr, mm3/kWhr або mg/kWhr.
Якщо ви зважуєте зразок між інтервалами кавітаційної ерозії, можна побудувати криву, що показує граничну втрату ваги (швидкість втрати ваги в кожному енергетичному інтервалі) залежно від накопиченої енергії.
Для більш точних результатів прилад може виконати автоматичну калібровку (30 секунд). Це вимірює потужність для всіх налаштувань амплітуди в повітрі при атмосферному тиску. Прилад Hielscher використовує ці дані калібрування для надання дуже точних значень чистої потужності в реальному часі.

Тиск рідини під час ультразвукової обробки

Багато стандартних протоколів для випробувань на кавітаційну ерозію використовують ультразвукову кавітацію при атмосферному тиску. Тиск рідини є другим за важливістю фактором для інтенсивності ультразвукової обробки. Збільшення атмосферного тиску на 10% збільшить інтенсивність ультразвукової обробки приблизно на 10%. Інтенсивніша кавітація зменшує час, необхідний для досягнення певного ступеня кавітаційної ерозії. Часто випробування одного зразка може тривати від 15 до 120 хвилин. Якщо у вас є багато зразків для випробувань, робота при вищих тисках може значно скоротити час для кожного випробування. Випробування при 5 barg (73psig) вимагають приблизно на 80% менше часу для кожного випробування.
Hielscher постачає герметичні випробувальні комірки з цифровим датчиком тиску для випробувань на кавітаційну ерозію. Використовуючи герметичну комірку, ви можете контролювати та підтримувати тиск під час кожного випробування. Ультразвуковий генератор постійно моніторить датчик тиску та протоколює фактичний тиск у сумісний з Excel файл CSV на SD-картці (входить у комплект). Hielscher постачає регулятори тиску для встановлення та підтримання робочого тиску.
Як стандарт, герметичні випробувальні комірки Hielscher для випробувань на кавітаційну ерозію розраховані на тиск до 5barg (73psig). Вищі тиски до 300barg (4350psig) доступні за запитом.

Ультразвукова частота

Загалом, випробування на кавітаційну ерозію використовують низькочастотні високі інтенсивності ультразвуку в діапазоні 18-30kHz. У цьому діапазоні зміна частоти має дуже обмежений вплив на інтенсивність кавітації. Усі пристрої Hielscher працюють на постійній частоті.

Відстань від сонотрода

Матеріал, що випробується, можна закріпити на сонотроді або під сонотродом. Ви можете виготовити різьбовий зразок матеріалу та закріпити його на кінці ультразвукового сонотрода. У цьому випадку зразок коливається на заданій ультразвуковій амплітуді та створює кавітацію на своїй поверхні. Це вимагає точної обробки, і не всі матеріали підходять для цього варіанту.
Альтернативно, ви можете закріпити частину або зразок у безпосередній близькості під титановим сонотродом. У цьому випадку титановий сонотрод створює кавітацію, а поверхня матеріалу піддається впливу кавітації. Це більш зручний варіант, оскільки ви можете розмістити зразки різних розмірів або форм у випробувальній комірці. Якщо ви використовуєте більший сонотрод, такий як сонотрод діаметром 50mm або 80mm, ви можете одночасно піддати кавітаційній ерозії кілька частин. Це дуже корисно, коли вам потрібно випробувати багато частин на день, наприклад, для контролю якості.
В обох випадках відстань між ультразвуковим сонотродом і поверхнею матеріалу поруч із ним є дуже важливою. Загалом, кавітаційна ерозія відбувається швидше при меншій відстані. Типові відстані варіюються від 0,2 до 15mm. Для отримання достовірних результатів слід використовувати однакову відстань для всіх випробувань.

Температура рідини

Тепліша рідина призводить до нижчої інтенсивності ультразвукової кавітації. Введення енергії механічних коливань у рідину спричинить нагрівання рідини. Для підтримання постійної температури під час кожного випробування на кавітаційну ерозію рідину необхідно охолоджувати. Hielscher постачає контейнери з сорочкою та герметичні комірки з сорочкою. Альтернативно, ви можете використовувати охолоджувальний змійовик у склянці або помістити склянку в крижану ванну. Охолоджувальна рідина, що проходить через сорочку або через охолоджувальний змійовик, відводить тепло від рідини.
Ультразвукові пристрої Hielscher, такі як UP400St або UIP1000hdT, постачаються з температурним зондом PT100 (входить у комплект). Ультразвуковий генератор безперервно моніторить фактичну температуру рідини та протоколює температуру у сумісний з Excel файл CSV на SD-картці (входить у комплект). Ви можете налаштувати генератор на паузу випробувань на кавітаційну ерозію, якщо температура рідини відхиляється занадто сильно від заданого значення, наприклад, через недостатню потужність охолодження. Генератор може автоматично відновити ультразвукову обробку, коли рідина знову досягне заданої температури.

Кавітуюча рідина

Загалом випробування на кавітаційну ерозію використовують воду, наприклад, дистильовану воду. Різні рідини демонструють різні характеристики кавітації. Якщо вода є корозійною для вашого матеріалу, ви можете захотіти випробувати альтернативні рідини, такі як силіконові олії з низькою в’язкістю або органічні розчинники, щоб усунути або зменшити корозійний фактор. Альтернативно, ви можете зробити рідину більш корозійною, наприклад, змінивши pH, або більш абразивною, додавши абразивні частинки. Ви можете використовувати випробування на кавітаційну ерозію для оцінки ерозійної та корозійної агресивності рідин, таких як бурові розчини, або для оцінки ефективності інгібіторів корозії чи ерозії.

Механічна обробка

Коли ви виготовляєте деталь або зразок, обробка на ЧПК, шліфування або полірування спричиняють пошкодження структури зерна поблизу поверхні матеріалу. Це знижує стійкість до ерозії.

Пасивація/Оксидні шари

Дуже часто ерозія та корозія відбуваються одночасно. Вода, така як дистильована, демінералізована або деіонізована вода, може бути корозійною для багатьох матеріалів. Ультразвукова кавітація сприяє корозії. Пасивуючі шари, наприклад, на анодованому алюмінії, підвищать стійкість поверхні матеріалу до ерозії та корозії.

Які обмеження має випробування на кавітаційну ерозію?

Деякі еластомери можуть вимагати дуже інтенсивної експозиції до кавітації, щоб взагалі проявити будь-яку кавітаційну ерозію. У цьому випадку ультразвукова обробка без застосування комірчастого пристрою під тиском може не показати жодного вимірюваного ефекту.